JP2007036230A - 過電流保護素子 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護素子の耐圧を高める。
【解決手段】過電流保護素子１０は２枚の金属ホイル１２及び正温度係数（ＰＴＣ）材料層１１を有する。ＰＴＣ材料層１１は２枚の金属ホイル１２の間に挟み込まれ、少なくとも１つの結晶性ポリマー、非酸化物導電性セラミック粉末及び非導電性フィラーを含有する。非酸化物導電性セラミック粉末は一定の粒径分布を有する。ＰＴＣ材料層１１は０.１Ω-ｃｍ以下の比抵抗を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電流保護素子に関し、さらに詳しくは、正温度係数（ＰＴＣ）導電材料を有する過電流保護素子に関する。本過電流保護素子は、より優れた比抵抗及び抵抗値再現性を示し、携帯通信用途に用いられる電源の保護に特に適する。

ＰＴＣ導電材料の抵抗値は温度変化に敏感である。この特性により、ＰＴＣ導電材料は電流検知材料として用いることができ、過電流保護素子及び過電流保護回路に広く用いられてきた。ＰＴＣ導電材料の抵抗値は室温では低い値のままであり、よって過電流保護素子または過電流保護回路は通常に動作することができる。しかし、過電流状況または過温度状況がおこれば、ＰＴＣ導電材料の抵抗値は直ちに少なくとも１万倍増大して（１０^４オームをこえる）高抵抗状態になるであろう。したがって、過電流が抑えられ、回路素子または電池を保護する目的が達成される。

一般に、ＰＴＣ導電材料は少なくとも１つの結晶性ポリマー及び導電性フィラーを含有する。導電性フィラーは結晶性ポリマー内に一様に分散される。結晶性ポリマーは主に、ポリエチレンのようなポリオレフィンポリマーである。導電性フィラーは主に、カーボンブラック、金属粒子及び／または非酸化物セラミック粉末、例えば、炭化チタンまたは炭化タングステンである。

ＰＴＣ導電材料の導電率は導電性フィラーの含有量およびタイプに依存する。一般に、粗面を有するカーボンブラックはポリオレフィンポリマーとの付着性がより強く、したがってより高い抵抗値再現性が達成される。しかし、カーボンブラックの導電率は金属粒子の導電率より低い。金属粒子が導電性フィラーとして用いられる場合、粒径が大きいほど分散の一様性が低くなり、金属粒子は酸化されて抵抗値が高くなり易い。過電流保護素子の抵抗値を有効に低め、酸化を防止するため、低抵抗ＰＴＣ導電材料には導電性フィラーとしてセラミック粉末が用いられることが多い。セラミック粉末にはカーボンブラックのような粗面がないから、セラミック粉末はポリオレフィンポリマーとの付着性が弱く、したがって、ＰＴＣ導電材料の抵抗値再現性が十分には制御されない。従来技術では、金属粒子とポリオレフィンポリマーの間の付着性を向上させるため、導電性フィラーとしてセラミック粉末を含む従来のＰＴＣ導電材料にカップリング剤が添加されるであろう。カップリング剤は無水化合物またはシラン化合物とすることができる。しかし、カップリング剤添加後のＰＴＣ導電材料の総合抵抗値を有効に低下させることはできない。

現在、導電性フィラーとしてニッケルを含む低抵抗（約２０ｍΩ）ＰＴＣ導電材料が市販されているが、これは６Ｖまでの電圧にしか耐えることができない。ニッケルは空気から十分に隔離されていなければ、時間が経つと酸化され易く、この結果抵抗値が高くなる。さらに、トリップ後の低抵抗ＰＴＣ導電材料の抵抗値再現性が十分ではない。

本発明の課題は高電圧過電流保護素子を提供することである。一定の粒径分布をもつ導電性粉末（導電性フィラー）を添加することにより、高電圧過電流保護素子は、優れた、抵抗値、高耐圧及び抵抗値再現性を示す。

上記課題を達成するため、本発明は２枚の金属ホイルおよびＰＴＣ材料層を有する高電圧過電流保護素子を開示する。２枚の金属ホイルのそれぞれはノジュールによる粗面を有し、ＰＴＣ材料層に直接物理的に接触する。ＰＴＣ材料層は、２枚の金属ホイルの間に挟み込まれ、少なくとも１つの結晶性ポリマー、非導電性フィラー及び非酸化物導電性セラミック粉末を含有する。粒径分布は、好ましくは０.０１μｍと３０μｍの間、さらに好ましくは０.１μｍと１０μｍの間である。非酸化物導電性セラミック粉末は５００μΩ-ｃｍ以下の比抵抗を有し、少なくとも１つの結晶性ポリマー内に分散される。結晶性ポリマーは、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン及びポリフッ化ビニルからなる群から選ばれる。

本発明に用いられる非酸化物導電性セラミックは、（１）炭化金属（例えば、炭化チタン（ＴｉＣ），炭化タングステン（ＷＣ），炭化バナジウム（ＶＣ），炭化ジルコニウム（ＺｒＣ），炭化ニオブ（ＮｂＣ），炭化タンタル（ＴａＣ），炭化モリブデン（ＭｏＣ）及び炭化ハフニウム（ＨｆＣ））、（２）ホウ化金属（例えば、ホウ化チタン（ＴｉＢ_２），ホウ化バナジウム（ＶＢ_２），ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２），ホウ化ニオブ（ＮｂＢ_２），ホウ化モリブデン（ＭｏＢ_２）及びホウ化ハフニウム（ＨｆＢ_２））、及び（３）窒化金属（例えば窒化ジルコニウム（ＺｒＮ））から選ばれる。

本発明の非導電性フィラーは、（１）難燃剤及びアーク防止剤の効果をもつ無機化合物、例えば、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、石英ガラス、酸化ケイ素、炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム及び硫酸バリウム、及び（２）水酸基をもつ無機化合物、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム及び水酸化バリウムから選ばれる。非導電性フィラーの粒径は主として０.０５μｍと５０μｍの間であり、非導電性フィラーは質量でＰＴＣ材料層の総組成の１％から２０％である。

非酸化物導電性セラミック粉末の比抵抗は極めて低く（５００μΩ-ｃｍ以下）、したがって非酸化物導電性セラミック粉末を含有するＰＴＣ材料層は０.５Ω-ｃｍ以下の比抵抗を達成することができる。一般に、従来のＰＴＣ材料の比抵抗は、容易には０.１Ω-ｃｍ以下に下がらない。０.１Ω-ｃｍ以下の比抵抗が達成されたとしても、従来のＰＴＣ材料は、従来のＰＴＣ材料の極めて低い抵抗値により、通常は耐圧を維持することができない。しかし、本発明の過電流保護素子のＰＴＣ材料層は、０.１Ω-ｃｍ以下の比抵抗を達成し、１２Ｖから４０Ｖの電圧に耐えることができる。

従来のＰＴＣ材料で０.１Ω-ｃｍ以下の比抵抗が達成された場合でも、従来のＰＴＣ材料は通常１２Ｖより高い電圧に耐えることができない。本発明においては、耐圧を向上させるために水酸基をもつ無機化合物の非導電性フィラーがＰＴＣ材料層に添加される。さらに、ＰＴＣ材料層厚が０.２ｍｍをこえるように制御され、よってＰＣＴ材料層の耐圧がかなり高められる。ＰＴＣ材料層が極めて低い比抵抗を有することから、ＰＴＣ材料層から切り出されるＰＴＣチップの面積が５０ｍｍ^２以下まで小さくなり、それでもＰＴＣチップは低抵抗特性を示す。したがって、１つのＰＴＣ層材料からより多くのＰＴＣチップがつくられ、よってコストが低減される。

本過電流保護素子はさらに、集成体を形成するためにはんだリフローによるかまたはスポット溶接によって２枚の金属ホイルに接続された、２枚の金属電極シートを有する。集成体（過電流保護素子）の形状は、軸導線型、放射状リード線型、端子型または表面実装型である。また、２枚の金属ホイルは、過電流保護素子が過電流状況中に回路を保護するような回路を形成するために電源に接続することができる。

本発明を添付図面によって説明する。

本発明の過電流保護素子の好ましい実施形態の組成及び作成プロセスを添付図面によって以下に説明する。

過電流保護素子に用いられるＰＴＣ材料層の組成には、第１の結晶性ポリマー（ＨＤＰＥ：密度０.９６２ｇ/ｃｍ^３，質量１２.１１ｇ）、第２の結晶性ポリマー（ＨＤＰＥ：密度０.９４３ｇ/ｃｍ^３，質量３.０３ｇ）、非導電性フィラー（水酸化マグネシウム：質量４.２ｇ）及び非酸化物導電性セラミック粉末（炭化チタン：質量８５.７５ｇ）が含まれる。本実施形態において、第１及び第２の結晶性ポリマーはいずれも高密度ポリエチレンであり、炭化チタンは０.１μｍから１０μｍの間の粒径分布を有する。

過電流保護素子の作成プロセスは以下のように説明される。原材料を２分間１６０℃にしたブレンダー（Hakke 600）に入れる。原材料を与える手順は、高密度ポリエチレンをブレンダーに入れ、数秒間ブレンドした後、非酸化物導電性セラミック粉末（粒径分布が０.１μｍと１０μｍの間の炭化チタン）を加える。ブレンダーの回転速度は４０ｒｐｍに設定する。３分間ブレンドした後、回転速度を７０ｒｐｍに上げる。７分間ブレンドした後、ブレンダー内の混合物を流し出し、これにより正温度係数（ＰＴＣ）挙動を有する導電性組成物が形成される。

上記の導電性組成物が金型に装填され、金型の上部及び底部にはテフロン（登録商標）布が配される。金型は内部厚が０.２５ｍｍの鋼鉄製である。初めに、導電性組成物が装填された金型を５０ｋｇ/ｃｍ^２，１８０℃で３分間予備プレスする。次いで、金型内のガスを排出し、金型を１００ｋｇ/ｃｍ^２，１８０℃で３分間プレスする。１５０ｋｇ/ｃｍ^２，１８０℃で３分間のプレス工程を１回繰り返す。これで、ＰＴＣ材料層１１（図１を参照）が形成され、その厚さは０.４５ｍｍである。

次いでＰＴＣ材料層１１は、それぞれの面積が２０×２０ｃｍ^２の、多数の正方形に切り分けられる。２枚の金属ホイル１２がＰＴＣ材料層１１の上面及び底面に貼り付けられる。ＰＴＣ材料層１１は初めに上面と底面のそれぞれで、金属ホイル１２、「テフロン」布（図示せず）、ゴム緩衝層（図示せず）及び鋼板（図示せず）の間に挟み込まれ、これらは全てＰＴＣ材料層１１の上面及び底面上に対称に配され、これにより、多層（鋼板/ゴム緩衝層/「テフロン」布/金属ホイル/ＰＴＣ材料/金属ホイル/「テフロン」布/ゴム緩衝層/鋼板）構造が形成される。その後、この構造は７０ｋｇ/ｃｍ^２，１８０℃で３分間プレスされる。最後に、多層構造は熱圧プレス機から取り出される。中央複合積層（金属ホイル/ＰＴＣ材料/金属ホイル）は裁断されて、以降の試験に用いることができる、６.５×３.５ｍｍ^２の過電流保護素子１０に形成される。

表１〜６は本発明の過電流保護素子１０に関する電気特性を示す。表１は過電流保護素子１０に用いられるＰＴＣ材料層１１の５つの試料の抵抗−温度試験の結果を示す。Ｒ_ｉ（Ω）はＰＴＣ材料層１１の初期抵抗値を示し、その平均抵抗値は５.１ｍΩであり、これは市販されている製品の２０ｍΩより低い。Ｒ_ｐ（Ω）及びＲ_最大（Ω）はそれぞれ、抵抗値−温度（Ｒ-Ｔ）曲線の勾配のピークにおける抵抗値及び最大抵抗値を示す。Ｒ_室温（Ω）は室温まで冷却した後のＰＴＣ材料層１１のトリップ後抵抗値を示す。比（Ｒ_室温/Ｒ_ｉ）の欄は過電流保護素子１０に用いられるＰＴＣ材料層１１が優れた抵抗値再現性を有することを示す。すなわち、抵抗値は元の抵抗値とほとんど同じ値に復帰することができる。

さらに、ＰＴＣ材料層１１の比抵抗は下式（１）：

から計算することができる。

ここで、ＲはＰＴＣ材料層１１の抵抗値（Ω）であり、ＡはＰＴＣ材料層１１の面積（ｃｍ^２）であって、ＬはＰＴＣ材料層１１の厚さ（ｃｍ）である。式（１）のＲにＲ_ｉ（Ω）の平均値０.００５１Ωを代入し、式（１）の、Ａに６.３×３.５ｍｍ^２（＝６.５×３.５×１０^−２ｃｍ^２）を代入し、Ｌに０.４５ｍｍ（＝０.０４５ｃｍ）を代入すれば、０.０２５８Ω-ｃｍの比抵抗（ρ）が得られ、これは明らかに０.１Ω-ｃｍより小さい。

表２〜５は、本発明の別の実施形態の、すなわち、ＰＴＣ材料層１１の上面及び底面に取り付けられた２枚の金属ホイル１２に２枚の金属電極シート２２が接続されている（図２参照）、過電流保護素子２０に関する、様々な電圧条件の下でのＲ１_最大試験の結果を示す。表２〜５においてＲ_ｉ（Ω）は過電流保護素子２０の初期抵抗値を示す。表２のＲ_３０（Ω）は、６Ｖ/５０Ａの条件に６０秒間かけられ、次いで３０分間待機（すなわち電力が印加されていない）状態におかれた、過電流保護素子２０の抵抗値を示す。表３のＲ_３０（Ω）は、１２Ｖ/５０Ａの条件に６０秒間かけられ、次いで３０分間待機（すなわち電力が印加されていない）状態におかれた、過電流保護素子２０の抵抗値を示す。表４のＲ_３０（Ω）は、１６Ｖ/５０Ａの条件に６０秒間かけられ、次いで３０分間待機（すなわち電力が印加されていない）状態におかれた、過電流保護素子２０の抵抗値を示す。表５のＲ_３０（Ω）は、２８Ｖ/２０Ａの条件に１時間かけられ、次いで３０分間待機（すなわち電力が印加されていない）状態におかれた、過電流保護素子２０の抵抗値を示す。それぞれの表の比（Ｒ_３０/Ｒ_ｉ）の欄から、本発明の過電流保護素子２０は優れた抵抗値再現性を実際に示す。さらに、本発明の過電流保護素子２０は２８Ｖまでの電圧に耐えることができ、このことは、６Ｖまでの電圧にしか耐えることができない従来の過電流保護素子よりはるかに優れている。

表６は様々な電圧及び電流の条件の下での過電流保護素子２０の表面温度試験の結果を示し、Ｒ_ｉ（Ω）は過電流保護素子２０の初期抵抗値を示す。表面温度試験の手順を以下に説明する。初めに、試料に６Ｖ/６Ａの条件を印加する。試料の表面温度が上がって安定値に達した後、安定値を記録する。次いで、印加する条件を１２Ｖ/７Ａに変え、安定に達した後に表面温度を記録する。同様に、印加する条件を１６Ｖ/１６Ａに、次いで２８Ｖ/６Ａに変え、それぞれにおいて安定に達した後に表面温度を記録する。表６のＲ１_最大は、表面温度を記録し、次いで３０分間待機（すなわち電力が印加されていない）状態においた後の抵抗値を示す。過電流及び／または過電圧の状況の下にある従来の過電流保護素子では、その表面温度は印加電圧に比例して上昇するであろう。しかし、表６から、過電流及び過電圧の条件下における過電流保護素子２０の表面温度は、印加電圧に無関係に、安定なまま（１０１℃から１０９℃）である。さらに、過電流保護素子２０は、明らかに３より小さい（０.０２２９/０.０１７８＝１.４２）優れた抵抗値再現性を示す。

ＰＴＣ材料層が一定の粒径分布を有する非酸化物導電性セラミック粉末を含有しているため、本発明の過電流保護素子は、市販されている同様の製品と比較して優れた、抵抗値、耐圧及び抵抗値再現性を実際に示す。また、金属粒子より安定であり、容易には酸化されない、導電性フィラー（すなわち、非酸化物導電性セラミック粉末）が用いられているから、経時変化の問題も排除される。

本発明の素子及び特徴を上の例及び記述で十分に説明した。本発明の精神を逸脱しないいかなる改変または変更も本発明の保護範囲に包含されると目される。

本発明の過電流保護素子を示す 本発明の過電流保護素子の別の実施形態を示す

符号の説明

１０，２０ 過電流保護素子
１１ ＰＴＣ材料層
１２ 金属ホイル
２２ 金属電極シート

Claims (14)

1. 過電流保護素子において、
   ２枚の金属ホイル、及び
   前記２枚の金属ホイルの間に挟み込まれたＰＴＣ材料層、
   を有し、
   前記ＰＴＣ材料層が、０.１Ω-ｃｍ以下の比抵抗及び０.２ｍｍ以上の厚さを有し、前記ＰＴＣ材料層が、
   少なくとも１つの結晶性ポリマー、
   非導電性フィラー、及び
   粒径が実質的に０.１μｍから１０μｍであり、５００μΩ-ｃｍ以下の比抵抗を有する非酸化物導電性セラミック粉末、
   を含有し、
   前記非酸化物導電性セラミック粉末は前記結晶性ポリマー内に分散される、
   ことを特徴とする過電流保護素子。
2. 前記ＰＴＣ材料層の初期抵抗値が２０ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
3. ２８Ｖまでの電圧に耐えることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
4. ５０Ａまでの電流に耐えることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
5. ３以下の抵抗値再現性比を有することを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
6. 前記ＰＴＣ材料層の面積が５０ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
7. 過電流保護のトリップ状態の下で１１０℃以下の表面温度を示すことを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
8. 前記非酸化物導電性セラミック粉末が炭化チタンであることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
9. 前記結晶性ポリマーが高密度ポリエチレンを含むことを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
10. 前記非導電性フィラーが水酸基をもつ無機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
11. 前記無機化合物が水酸化マグネシウムであることを特徴とする請求項１０に記載の過電流保護素子。
12. 前記２枚の金属ホイルのそれぞれがノジュールによる粗面を有し、前記ＰＴＣ材料層に直接かつ物理的に接触することを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
13. 前記２枚の金属ホイルに接続されて集成体を形成する２枚の金属電極シートをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。
14. 回路を形成するために前記２枚の金属ホイルが電源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護素子。

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